无功补偿方案在地铁供电系统中的应用研究

东莞市轨道交通有限公司　许焯毅　谭雪娇



无功补偿方案在地铁供电系统中的应用研究

东莞市轨道交通有限公司许焯毅谭雪娇

【摘要】随着城市基础设施建设水平的不断提升，地铁作为对舒适度、安全性、整体性能、施工技能等方面的要求都非常高的交通方式，已经成为现代城市交通水平的重要衡量标志，但由于其供电系统几乎全部采用电缆连接，致使其充电无功功率和牵引负荷的波动性等较大，会对城市电网造成功率因数低、无功功率反送以及谐振过压等多方面的不利影响，而城市电网的安全性和持续性对城市发展至关重要，所以通过有效的措施控制地铁供电系统对城市供电网的影响至关重要，本文通过对供电因数计算模型的系统分析，结合深圳市地铁对无功补偿方案在地铁供电系统中的应用展开研究，为促进城市地铁快速发展作出努力。

【关键词】无功补偿方案；地铁；供电系统

0　引言

地铁的供电系统是采用两级供电制的方式的高压用电用户，列车牵引和车站动力及照明负荷是其用电负荷的主要构成，所以其性质直接决定了地铁供电系统的功率因数，而地铁列车的设计决定其牵引负荷的功率因数总额在0.96左右，车站动力及照明的功率因数通常在0.78左右，这与我国电力部门现阶段所规定的高压供电用户高峰时段功率因数应在0.9以上不符，致使地铁供电系统发生线路损耗加快、有功输出容量不足等问题，甚至对城市供电造成影响，所以采取无功补偿方案是地铁供电系统正常运行的必然选择。

1　供电因数计算模型分析

110千伏和35千伏的两级电压制集中供电并覆盖诸多低压供电设备是现阶段深圳市地铁供电系统的主要结构形式，其用电负荷与常规地铁一致，其中牵引负荷与行车密度和客流量呈现出较明显的正相关性，而车站动力和照明负荷值相对比较稳定，通过对其牵引负荷的变化数据分析，其远期负荷会达到近期的1.2至1.5倍，而近期又会达到初期的1.1至1.2倍，通过计算可以发现其自然功率将超过0.95；而深圳地铁车站动力和照明的负荷基本稳定在0.73至0.81之间[1]。一天中由于城市居民的出行量会出现明显的波动变化，所以深圳地铁的主变压器在一天内的负荷变化也呈现出显著的波动特征，通常0:00至5:30由于地铁停运主变压器出现低谷负荷；一天内的其余时间则为高峰负荷时期，由于变压器不仅具有转化电压的功能，还会对感性无功功率进行消耗，而电力电缆不仅对感性无功功率具有消耗的能力，而且当其充电功率超过其功率消耗时会产生容性无功功率，例如地铁处于停运阶段，电缆会生成容性无功功率，直接对电网的供电平衡造成影响[2]。由于地铁的运行是机械式的对日运行的简单重复，所以平均功率因数可以通过地铁供电系统需要供电部门提供的日有功电度(P∑)和日无功电度(Q∑)表示，即，其中P∑可通过（全线的牵引负荷+全线的动力照明负荷+供电网络的负载损耗）×18.5+供电网络的空载损耗×24（千瓦/小时）获得，而Q∑可通过（全线的牵引负荷×tan牵引负荷+全线的动力照明负荷×tan动力照明负荷）× 18.5-电力电缆的充电功率×24（千伏安/小时）[3]。例如深圳市在5至11月的空调季节中其动力照明负荷所产生的平均功率因数大约在0.74左右，而其余月份构成的非空调季节其取值为0.71，结合两个时期功率因数较低的空调负荷有所缩减，牵引负荷中功率相对较高的比重会在原有程度上上升，致使地铁供电系统的无功功率需求缩减，所以非空调季的功率因数较空调季更高，与平均供电因数计算模型一致[4。

2　深圳市地铁对无功补偿方案在地铁供电系统中的应用分析

深圳地铁一号线在进线侧存在5千米左右长度的110千伏电缆，其供电局考核点因此段电缆在轻负荷时致使无功倒送，出现功率因数较低的现象，而其地铁负荷起点因主变压器设计容量过高，也会对地铁负荷构成影响；另外，35千伏的电缆沿着地铁线铺设所造成的容性无功功率的倒送也不容忽视，为管理的方便，预期在一号线地铁负荷的起点进行补偿。

无功补偿方案通常有集中式、分区集中式和分布式三种类型，结合不同的无功补偿类型，确定以下补偿方案：第一种是利用35千伏级别的静止无功发生器，在35千伏电缆的起点位置进行补偿，此方案静止无功发生器的电流较小，所以对散热的要求较低，而且在运行的过程中只会产生较低的噪音，但是在应用此方案的过程中，要求在供电局考核点安装功率监视装置，并将装置获取的数据以通信的方式不断向35千伏电缆的起点进行传送，由静止无功发生器对其进行比较，由此构成远距离闭环控制系统，但在此系统运行的过程中，静止无功率发生器的响应速度会明显降低，另外，补偿装置的运行也会因为通信对稳定性的较强依赖而状况不稳定。第二种方案是利用10千伏级别的静止无功发生器安装在35千伏电缆的起点位置，并利用干式升压变压器将其与35千伏的母线连接进行补偿，此方案虽然也达到了无功补偿的目的，但是在运行的过程中需要利用通信的方式实现对无功功率的传输，传输的稳定性和持续性都难以保证；第三种方案是直接对供电局考核点进行补偿，这样无功功率的近距离采集得到保证，其只需要对110千伏电缆地铁方向的功率进行检测，无功误补的现象可以得到有效的遏制，不仅对静止无功发生器快速响应的优点进行最大化的挖掘利用，而且达到的无功补偿效果也最理想，但在实际运行中由于其安装位置隶属于供电部门范围，所以维修、养护、管理等实际操作会受到一定的影响。

结合深圳市地铁一号线的实际情况，选择第一种方案对其进行无功功率补偿，在实际应用的过程中其选择的成套装置的控制目标应确定为35千伏方向母线电压，静止无功发生器的补充容量应满足-3.5至3.5之间的无功连续可调，其对地铁供电系统的电压变化进行实施的跟踪，而且会随着跟踪结果的变化对无功输出的实际值进行连续的调节，由此对电压的稳定性做出贡献，通常情况下，静止无功功率器对电力系统电压变化的响应时间要控制在5毫秒以内。短时间过载是成套装置所允许的，成套装置总容量的15%左右为过载无功补偿容量的大致范围，在应用方案1的过程中必须保证110千伏母线公共连接点处被注入的谐波的总畸变率在2%及其以下，其中奇次谐波电压含有率必须在1.6%及其以下，偶次谐波电压含有率必须在0.8%及其以下，电压不平衡度必须保持在1.3%及其以下，电压波动必须在2%及其以下，当补充容量满足要求的情况下，使用本方案的深圳地铁一号线的月平均功率因数应该在0.95及其以上，补偿效果较理想，具体优化过程可结合深圳地铁一号线在运行过程中的实际情况逐渐进行，提升地铁的整体性能[5]。

在利用无功补偿方案对地铁供电系统进行调整的过程中，需要注意站内动力及照明负荷的实际用电量受使用电机设备实际耗电程度和环控系统、照明系统的实际运行模式两方面有关，所以在利用静止无功功率器调节供电系统负荷时，必须综合考虑无功功率相对稳定的站内照明和动力负荷，以免因设计或采购等方面的失误造成不必要的资本浪费。

3　结论

通过上述分析可以发现，现阶段地铁供电系统应用无功补偿方案具有必然性，这是地铁持续安全运行和城市供电系统稳定的必然要求，而且通过时间里分析可见，无功补偿方案在地铁供电系统中的合理应用，可有效缓解甚至消除城市供电网与地铁供电系统之间矛盾，所以其推广应用具有一定的可靠性性。

参考文献

[1]朱子栋.地铁供电系统无功补偿方案及补偿容量的研究[J].变频器世界,2014,11:45-47．

[2]钟骏.浅议动态无功补偿装置SVG在地铁供电系统中的应用[J].铁道勘测与设计,2009,03:84-86．

[3]王继锋.动态无功补偿装置SVG在地铁供电系统的应用探讨[J].科技创新导报,2013,12:106-107．

[4]吴金泉.深圳地铁供电系统无功补偿方案研究[J].机电信息,2013,21:16-17．

[5]周方圆,黄燕艳,龙礼兰,周靖,邱文俊.地铁供电系统无功特性分析与补偿设计[J].大功率变流技术,2011,04:9-12+69．